数千年后的今天，中国人用“羲和号”卫星看“不一样”的太阳
《卫星与网络》杂志
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曦日东升，黑暗消散。阳光穿过罅隙，神圣又温暖，人们把它叫做希望。
怀揣希望，人们在时光旅途中越走越远，从茹毛饮血到烹龙炮凤，从刀耕火种变智能自动。人们开始好奇，传播希望的太阳，是什么样的存在？朝暮赤红，晌午夺目，这都是它的样子，也都不是它的样子。不知从何时起，人们开始想，要是可以“上去”看看就好了。
于是，10月14日，“羲和号”出发了，作为中国派去观察太阳的第一位使者，她要替人们去看看太阳里面住着谁。
▲ 视频：“羲和号”全解析
打卡太阳
517公里高空的晨昏太阳同步轨道上，510公斤的“羲和号”打量着太阳。“羲和号”是经过征名活动，网友们赋予我国首颗太阳探测卫星的名字，从此，神话般的星海又多了一抹传奇色彩。
通过超高指向精度和超高稳定度的双超平台，装载Hα成像光谱仪的“羲和号”可以较好地通过两种方式观测太阳：白光连续谱成像和光谱扫描成像。
在白光连续谱成像模式下，可以获得全日面像，如按下手机快门拍照一样简单。
在光谱扫描成像模式下，“羲和号”搭载的Hα成像光谱仪通过对太阳全日面扫描，历时约46秒，可以获得4600多条光谱，每条光谱都可以被复原成一张日面像。
Hα谱线，在天文学和物理学上是氢的一条具体可见的红色发射谱线。太阳光谱中的Hα波段谱线是太阳爆发时响应最强的色球谱线，能够直接反映爆发的源区特征。
对于为何选择对Hα光谱进行探测研究，航天科技集团“羲和号”卫星总指挥陈建新解释，“‘羲和号’是国际首发实现空间太阳Hα波段的光谱成像探测的卫星，通过对Hα光谱数据的分析，可以从光球层到色球层，获取太阳低层大气的信息，从而推演太阳爆发时的大气温度、速度等物理量的变化，研究太阳爆发的动力学过程和物理机制。”
卫星执行经理兼副总师陈昌亚指出，“如果太阳磁场剧烈变化、日冕层发生爆发，会对地球磁场、地球上的卫星产生影响，对多种领域产生干扰，包括通信信号。”
他还解读了“羲和号”卫星进行太阳探测的意义，“我们国家现有的空间天气预报都是从国外获取的，获得的数据较为延迟，而且真实性难以保证，非常被动。‘羲和号’这样的太阳探测卫星接续被送上天后，我国将可以自主掌控相对精准的空间天气预报，不受他人掣肘。”
▲ “羲和号”卫星（示意图）
去往新时代的5毫米
“羲和号”是太阳双超卫星，这“双超”指的是超高指向精度、超高稳定度。
传统卫星的有效载荷往往和平台固连在一起，但卫星运行时多个器件同时工作，星体难免出现微小振动，载荷的工作环境并不稳定。而作为高精度探测任务的执行者，“羲和号”需要一个稳定的环境。
合不行，那分吧。以“动静隔离非接触”总体设计新方法为导向，研发团队进行关键技术攻关后，成功研制出高精度、大带宽、自身无干扰等特点的磁浮作动器，将载荷舱通过磁悬浮的方式与平台舱连接，形成物理隔离。不接触，平台舱上的振动无法传递，载荷舱就相当平稳。
然而，这样的设计对于卫星的姿态控制提出了更高的要求。
“羲和号”上的Hα成像光谱仪在进行太阳观测时，会因不同工作方式的需要改变卫星的姿态。有时要通过9个观测点来对太阳进行平场定标，有时要控制卫星姿态对太阳进行连续的摆扫观测，有时要对卫星进行暗场定标，控制卫星姿态指向空间特定区域。当载荷舱变换姿态，平台舱也要第一时间跟着变化，避免碰撞。这种“载荷舱主动控制、平台舱从动控制”的主从协同控制解耦新方法，使得卫星有效载荷的探测更加稳定精准。
陈昌亚说，“不同于传统卫星的整体姿态控制，‘羲和号’的载荷舱、平台舱以及两舱之间相对位置的姿态控制形成了三环路控制”。
载荷舱和平台舱之间正负5毫米的调整距离，似是卫星奔赴新时代的距离。
太空无线充电
载荷舱和平台舱分离，传统的供电方式无法满足能源传输需求，成为过去。所以，“无线充电”来了。
换一条路走，从“好不好走”距“能不能走”往往相隔不远。无线能源传输，想着简单，做起来难。
早在20世纪中后期，美国宇航局就已提出太空磁感应式无线传输技术并成功在卫星上实现应用。而到目前为止，我国仅在地面实验室开展了相关实验工作。能够在卫星上应用大功率、长寿命的无线能源传输技术是几代中国航天人的愿望。
在卫星上进行大功率无线能源传输，需要克服空间环境的复杂性，应对随时交变的温度、充满未知磁场变化。不像手机无线充电那么简单，太空的“无线充电”除功率大外，电流还需经历多次转化。太阳帆板与蓄电池提供的均为直流电，在开展载荷舱和平台舱的无线能源传输过程中，需经历一番从直流到交流到磁场，再从磁场到交流到直流的转换过程。
八院811所研制团队和西安电子科技大学刘彦明团队通力合作，经过多番论证与比对，用1年多的时间圆满解决了平台舱和载荷舱联合供电、分舱供电及太空中能源传输技术难题，确保卫星在各种状态下，实现能源的有效供给。
陈建新介绍，“‘羲和号’是国内首次使用大功率和长寿命无线能源传输的卫星，通过无线能源传输系统，把平台舱的能量源源不断地传输至载荷舱。”
▲ “羲和号”卫星
面对面快传数据
“羲和号”特殊的双舱分离结构，对于数据传输也有了更高要求，于是空间激光通信技术“自告奋勇”。由八院802所激光中心团队研制的舱间高速激光通信单机，在“羲和号”平稳入轨后，开机工作。此后它将不间断地负责舱间数据传输任务。
不同于其他观测数据，太阳光强足够强，所以产生的数据量非常大。所以，如何快速传输、存储数据是科研工作及时有效开展的保证。
陈昌亚介绍，“当处于太阳爆发的峰值点时，长时间观测的数据量会非常庞大，届时，除向地面卫星中心传输外，部分数据将暂存在卫星上的存储器内。”
激光通信子系统具备高速的激光传输接口，可以大幅提升科学载荷数据传输速率，将星内数传带宽大大提高。
陈昌亚说，“激光通信在舱间传输距离短，但是偏转角度大，当载荷舱平台舱不需要对得很直就可以实现数据传输”。同时，单机有10个各种各样的接口，可以满足平台各种传输速度的特殊要求，将数据快速处理，更流畅地实现“面对面快传”。
未来我国还将发射综合性太阳探测卫星——先进天基太阳天文台（ASO-S）。陈建新介绍，“该卫星将搭载更多空间望远镜，重点观测太阳高层大气状态，将与‘羲和号’形成观测层次和观测波段的有效互补。”
陈昌亚说，“本次双超平台验证的意义重大，后续甚至可以将‘羲和号’做成系列卫星，或大或小。太阳探测意义重大，未来还需发射更多的太阳探测卫星，及时掌握更多太阳信息，完善我国空间天气预报的精度、准度。”
未来已来。
“羲和号”又看了一眼太阳，按下了快门。
本文转载自“中国航天科技集团”，原标题《数千年后的今天，中国人用“羲和号”卫星看“不一样”的太阳》
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